1 La meccanica quantistica
La meccanica quantistica, nella evoluzione della conoscenza sul comportamento
delle leggi dell’universo nel mondo microscopico, rappresenta un’altra discontinuità,
dopo la relatività di Einstein, che ha colto di sorpresa gran parte degli scienziati e
ricercatori e lo stesso Einstein che, pure, per primo, aveva formulato la teoria
quantistica della luce.
Il fotone o quanto di luce si comporta come una particella elementare, ma al tempo
stesso ha le proprietà di un’onda. Ma questa proprietà non è un attributo solo del
quanto di luce ma di ogni particella subatomica.
Questa ipotesi fu introdotta la prima volta dal fisico francese de Broglie nel 1923 e fu
confermata, osservando qualche anno più tardi, il comportamento di un fascio di
elettroni sparati su un cristallo di nichel. Gli elettroni, allo stesso modo dei fotoni,
creano figure di interferenza spiegabili soltanto se si associano alle particelle anche le
proprietà di un onda. Max Born ipotizzò che la probabilità di trovare un elettrone in
un determinato posto dipende dal quadrato dell’ampiezza dell’onda; Schrodinger
trovò l’equazione della funzione di probabilità dell’onda o funzione d’onda;
Feymann trovò che un elettrone sparato contro una barriera con due fenditure può
passare da entrambe le fenditure e viaggiare nel frattempo nello spazio. La somma
delle traiettorie così calcolate risponde all’equazione di probabilità dell’onda.
Le sorprese sono iniziate quando Heisenberg nel 1927 ha scoperto il principio di
indeterminazione; una particella subatomica non si comporta come un corpo
materiale dotato di massa ed energia, ma risponde a nuove leggi che si basano su
regole probabilistiche. E’ impossibile definire la velocità e la posizione di una
particella subatomica, non solo perché il tentativo di indagine comporta un
cambiamento nel comportamento della particella ma anche perché, pure in assenza di
un ipotetico osservatore subatomico, c’è una frenetica e continua attività di scambio
di energia e quantità di moto tra particelle. Questo sconvolge quanto si ipotizzava sul
vuoto. Può sempre esistere, nel vuoto assoluto, una particella che scambia energia
con un’altra; per esempio un elettrone potrebbe apparire e scomparire non appena
incontra un positrone (la sua antiparticella); non esiste solo la materia ma anche
l’antimateria nel microcosmo.
Ecco allora la vera discontinuità: il moto di un corpo è descritto completamente
quando è nota la sua posizione e la sua velocità sia che applichiamo la meccanica di
Newton sia quella di Einstein. A livello microscopico, questo non è più vero: ciò che
misuriamo è la probabilità complessiva di definire velocità e posizione: più
definiamo la posizione, meno conosciamo la velocità e viceversa. Nel mondo
subatomico questo è vero per tutta la materia.
Qui comincia a sorgere il conflitto tra relatività di Einstein e meccanica quantistica.
Due teorie che danno soluzioni e risultati precisi, sulle rispettive scale, macroscopica
e microscopica, applicate contemporaneamente, collidono in modo clamoroso dando
come risultato valori assurdi. “La nozione di geometria spaziale regolare, cardine
della relatività generale, a scale molto piccole perde di senso a causa delle violente
fluttuazioni quantistiche” così sintetizza Brian Greene nel suo saggio “L’universo
elegante”. Brian Greene procede nella sua analisi indicando nello stesso saggio,
come possibile soluzione al conflitto, la teoria delle superstringhe.
Ultimamente è stata avanzata una ipotesi da un ricercatore che ritiene che a livello
subatomico ci sia un comportamento dello spazio tempo diverso dal macroscopico.
Il tempo non è correlato allo spazio come nel macrocosmo ma si muove in modo
distinto. Ciò potrebbe spiegare l’impossibilità di definire posizione e velocità di una
particella.
Questa ipotesi potrà essere suffragata dopo un approfondimento ed eventuali prove.
2 La struttura della materia
Leggendo la lunga storia della ricerca dei componenti elementari della materia, i
crolli continui delle certezze acquisite, le sorprese, le delusioni, gli insuccessi e la
sempre maggiore difficoltà di comprendere alcuni risultati degli esperimenti, ho
pensato che i famosi versi del padre Dante potrebbero essere scolpiti su tutti i
laboratori di ricerca dell’intima struttura della materia. “Per me si va nella città
dolente, per me si va nell’eterno dolore, per me
si va tra la perduta
gente;……..Lasciate ogni speranza o voi che entrate”;
La materia è costituita da atomi, gli atomi sono costituiti da un nucleo centrale e da
elettroni che ruotano intorno al nucleo come pianeti; la distanza tra il nucleo e gli
elettroni è talmente grande che si dovrebbe dire che l’atomo è principalmente vuoto.
Ma la massa dell’atomo esiste ed è misurabile; essa è dovuta, quasi esclusivamente,
al nucleo che contiene protoni e neutroni: dov’è sta il problema quindi?
Per sapere come sono fatti i protoni i ricercatori hanno fatto collidere queste particelle
subatomiche con altre particelle che viaggiano in direzione opposta a velocità
prossima a quella della luce. Questo avviene mediante acceleratori di particelle
sempre più potenti: al CERN di Ginevra il “Large Hadron Collider”(LHC) è lungo 27
chilometri.
Gli impatti tra le particelle subatomiche, ad altissima velocità, vengono fotografati
con apparecchiature gigantesche in grado di fermare immagini che si esauriscono in
milionesimi di secondo; ecco che, dopo attente analisi di questi esperimenti, si è
trovato che il protone è costituito di particelle dette quark che contribuiscono a
formare la massa del protone, ma non solo non possono essere osservati
singolarmente, ma a ben guardare, i quark non hanno dimensione e non hanno
massa; sicuramente rappresentano una piccola esplosione di energia.
La collisione mette in evidenza una miriade di particelle di volta in volta con
caratteristiche di massa ed energia, diverse tra loro, che rispondono alla meccanica
quantistica: principio di indeterminazione, grandezza di Planck, dipendenza
dall’interferenza dell’azione delle particelle proiettate contro, etc etc.
Sono state battezzate negli anni particelle nuove come mesoni, gluoni, pioni, neutrini,
adroni, bosoni e così via.
Questa popolazione di particelle, sempre diverse e sfuggenti ad ogni classificazione,
ha turbato i sonni di molti ricercatori e scienziati, finché un ricercatore, il fisico
teorico scozzese P.W. Higgs, ha avanzato una possibile spiegazione alla continua
manifestazione di nuove particelle subatomiche. Higgs ha proposto che tutto lo
spazio-tempo sia permeato da un campo, il campo di Higgs. Quando le particelle,
originariamente prive di massa, si muovono nello spazio-tempo si muovono anche
nel campo di Higgs e, interagendo con esso, acquisiscono una massa. Più è grande
l’interazione delle particelle con il campo e più la massa acquisita è grande. Questa
interazione può essere considerata simile all'azione di forze viscose che agiscono su
particelle che si muovono in un liquido denso. Più è grande l'interazione con il
liquido e maggiore sembra essere la loro massa, dato che la massa può essere vista
anche come la resistenza alle variazioni di moto. Immerse nel campo di Higgs, le
particelle acquisirebbero la massa in relazione alla propria capacità e alle proprietà
del campo. Se questa teoria fosse giusta dovrebbe esistere, secondo calcoli eseguiti
dallo stesso scienziato, una particella prodotta dal campo, ancora non rilevata e
battezzata bosone di Higgs. Molti ricercatori si sono gettati nella mischia e hanno
orientato gli esperimenti e gli strumenti ad alta tecnologia come gli acceleratori di
particelle per trovare il famigerato bosone di Higgs.
3 Novità sulla legge di conservazione della massa
Questi esperimenti basati su acceleratori di particelle subatomiche hanno avuto un
primo risultato.
La legge di conservazione della massa, alla base della meccanica di Newton, viene
smentita dai risultati degli esperimenti recenti basati sulle collisioni tra protoni
elettroni e particelle subatomiche.
Frank Wilczeck 1, premio Nobel per la fisica, nel suo saggio ”La leggerezza
dell’essere”, riporta i dati sorprendenti di un esperimento fatto al CERN di Ginevra
dove sono stati accelerati elettroni e positroni a velocità prossime a quella della luce.
Come abbiamo visto, queste collisioni producono una notevole quantità di particelle
subatomiche. Confrontando le masse totali prima e dopo si ottiene:
elettrone + positrone (massa 2x10-28 grammi);
10 pioni+protone+antiprotone (massa 6x10-24grammi).
Il risultato della collisione pesa 3x104 grammi in più.
La velocità risultante delle particelle prodotte dalla collisione invece risulta inferiore
a quella iniziale: la quantità di moto (massa per velocità) si comporta in modo tale da
conservare di fatto l’energia iniziale.
Questo sembrerebbe una conferma del fatto che l’energia si possa trasformare in
massa e viceversa secondo l’equazione di Einstein.
Occorre comunque considerare che la massa a velocità v è m(0)/
1
Premio Nobel nel 2004 per la fisica
Pertanto l’equazione di Einstein per corpi a velocità v è E= m(0)c2
e non
riesce a spiegare la conservazione della energia (se la massa aumenta dovrebbe
aumentare anche l’energia).
Nel citato saggio di Wilczeck (appendice A) la spiegazione viene data considerando
che l’energia totale va considerata a livello di sistema e una particella accelerata
significa presenza di forze che devono essere prese in considerazione nel bilancio
energetico.
In definitiva la legge di Newton conservazione della massa deve essere sostituita
dalla legge della conservazione di energia.
4 La griglia di Wilczek
Nel suo trattato, Wilczek affronta a fondo il problema della vera natura della materia
e demolisce i concetti precedenti dello spazio vuoto. “Ciò che noi percepiamo come
spazio vuoto è un mezzo potente la cui attività modella il mondo”.
Alla domanda di che cosa è fatto il mondo risponde:
lo spazio ed il tempo sono riempiti da un ingrediente primario che brulica di attività
quantistica; l’ingrediente primario contiene anche componenti durevoli. Ciò fa
dell’universo un superconduttore multicolore multistrato.
L’ingrediente primario della realtà contiene un campo metrico che dà rigidità allo
spazio tempo e crea la gravità.
L’ingrediente primario della realtà ha un peso e la sua densità è universale.
Tutto ciò per Wilczek costituisce un qualcosa che non è il nulla e che chiama
“griglia”.
Ma perché afferma ciò?
La meccanica quantistica ha decretato che lo spazio è percorso da una attività
frenetica di particelle ed antiparticelle che caratterizzano una serie di fenomeni.
Pertanto lo spazio non può essere considerato vuoto. Anzi lo spazio vuoto è altamente
instabile. Abbiamo visto che per spiegare l’origine della massa proprio questa
caratteristica dello spazio ha suggerito ad Higgs l’ipotesi dell’esistenza di un
condensato in grado di attribuire alle particelle subatomiche una massa; di
condensati, i fisici ne vedono molti e quello che sembra più evidente è il condensato
formato da coppie di quark ed antiquark: esso si forma proprio perché lo spazio vuoto
è altamente instabile. Secondo Wilczek nello spazio si verifica una reazione
sorprendente:
nulla quark + antiquark + energia, quindi, ” lo spazio vuoto è un ambiente
esplosivo pronto a deflagrare con coppie di quark ed antiquark”.
